基于ISE設(shè)計(jì)提供低功耗FPGA解決方案

從Xilinx公司推出FPGA二十多年來(lái)，研發(fā)工作大大提高了FPGA的速度和面積效率，縮小了FPGA與ASIC之間的差距，使FPGA成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的優(yōu)選平臺(tái)。今天，功耗日益成為FPGA供應(yīng)商及其客戶關(guān)注的問題。

降低FPGA功耗是降低封裝和散熱成本、提高器件可靠性以及打開移動(dòng)電子設(shè)備等新興市場(chǎng)之門的關(guān)鍵。

Xilinx在提供低功耗FPGA解決方案方面較有經(jīng)驗(yàn)。本文說(shuō)明如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)，如Xilinx ISE(集成軟件環(huán)境)9.2i版本軟件使功能有效降低。

CMOS電路中的功耗由靜態(tài)(漏電)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分組成。動(dòng)態(tài)功耗是由電路信號(hào)上的瞬變所致，由下式?jīng)Q定：

式中Ci表示信號(hào)i的電容;fi為開關(guān)率，表示信號(hào)i上的瞬變率;V是電源電壓。

靜態(tài)功耗是電路在靜止、空閑狀態(tài)下的功耗。工藝尺寸縮小(如65納米工藝)意味著更低的電源電壓和更小的晶體管尺寸，致使導(dǎo)線長(zhǎng)度縮短、電容量減小以及總動(dòng)態(tài)功耗降低。較小的工藝幾何尺寸還意味著較短的晶體管溝道和較薄的柵極氧化層，致使靜態(tài)功耗隨著工藝尺寸縮小而增加。

FPGA的功耗

對(duì)于實(shí)現(xiàn)給定的邏輯電路而言，F(xiàn)PGA的可編程性和靈活性使其功耗效率比定制ASIC要低。FPGA的配置電路和配置存儲(chǔ)器要占用硅片面積，致使導(dǎo)線延長(zhǎng)和互連電容增加。在FPGA中，預(yù)制金屬導(dǎo)線段上附加的可編程布線開關(guān)產(chǎn)生互連，從而加重了信號(hào)產(chǎn)生的電容性負(fù)載。

FPGA中的動(dòng)態(tài)功耗大部分消耗在可編程布線架構(gòu)中。同理，靜態(tài)功耗與晶體管總寬度成正比。FPGA的晶體管有相當(dāng)一部分是互連架構(gòu)，這是造成漏電流的主要因素。因此，互連架構(gòu)應(yīng)該是FPGA功耗優(yōu)化的主要攻關(guān)目標(biāo)。

當(dāng)然，可以通過(guò)工藝技術(shù)、硬件架構(gòu)或電路級(jí)修改來(lái)解決功耗問題。例如，Virtex-5FPGA含有對(duì)角線互連資源，允許用較少的布線導(dǎo)體構(gòu)成連接，從而減少互連電容。在晶體管級(jí)，Virex-4和Virtex-5兩種FPGA都是采用三氧化層工藝技術(shù)來(lái)抑制漏電流。根據(jù)其速度、功耗和可靠性要求，可以為每個(gè)晶體管使用三種氧化層厚度。與在標(biāo)準(zhǔn)FPGA架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)同樣功能相比，擴(kuò)大使用DSP和處理器等硬IP模塊也可以降低功耗。

不必花費(fèi)錢去更改硬件，也可以降低功耗。您可以通過(guò)新型的功率驅(qū)動(dòng)的CAD算法和設(shè)計(jì)流程(如ISE9.2i軟件中采納的算法和設(shè)計(jì)流程)來(lái)解決功耗問題。

布局

Xilinx布局器的核心算法采用了解析(數(shù)學(xué))技術(shù)。這種算法從有重疊的初始設(shè)計(jì)布局開始，然后使用強(qiáng)化抽象法從高度擁擠區(qū)去除邏輯塊，最終形成可行的無(wú)重疊布局。一旦完成解析布局，便在已布局的設(shè)計(jì)上運(yùn)行交換式局部?jī)?yōu)化，以進(jìn)一步細(xì)化布局。本布局器使用的傳統(tǒng)成本函數(shù)按下式考慮導(dǎo)線長(zhǎng)度和時(shí)間：

總成本=a×w+bT

式中W和T分別是導(dǎo)線長(zhǎng)度成本和時(shí)間成本，a和b是標(biāo)量加權(quán)系數(shù)。a和b的值可以根據(jù)時(shí)間對(duì)導(dǎo)線長(zhǎng)度的相對(duì)優(yōu)先級(jí)設(shè)定。布局器的成本核算方案如圖1所示。

因?yàn)檫M(jìn)行布局時(shí)還沒有實(shí)際線路，所以導(dǎo)線長(zhǎng)度成本是依據(jù)導(dǎo)線長(zhǎng)度估算。同理，時(shí)間成本是依據(jù)用戶提供的限制條件和連接延遲的估算值。為了優(yōu)化功耗，我們用為成本函數(shù)增加功耗成分的方法擴(kuò)展了解析布局和局部?jī)?yōu)化，如圖1右側(cè)所示。修改后的成本函數(shù)如下：

總成本=a×W+b×T+c×Pdynamic

式中Pdynamic是估算的動(dòng)態(tài)功耗，c是標(biāo)量加權(quán)系數(shù)?？梢詮姆抡嬷刑崛⌒盘?hào)開關(guān)率數(shù)據(jù)，然后將其提供給工具。反之，如果不提供任何開關(guān)率數(shù)據(jù)，則工具根據(jù)邏輯功能為初始輸入，為后續(xù)輸出假定一個(gè)默認(rèn)的開關(guān)率，并且將開關(guān)率推廣到其余信號(hào)。為了獲得最佳結(jié)果，需要有用戶提供的開關(guān)率數(shù)據(jù)。

在布局過(guò)程中，信號(hào)的電容是未知的，因此必須估算。根據(jù)布局過(guò)程中已有的信號(hào)參數(shù)，我們建立一個(gè)電容估算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

式中f是普通數(shù)學(xué)函數(shù);Ci是信號(hào)i的電容;FO是信號(hào)i的扇出數(shù);XSi和Ysi分別是布局中信號(hào)i的X跨度和Y跨度。這些參數(shù)與架構(gòu)無(wú)關(guān)，并且在布局過(guò)程中已經(jīng)具備。

為建立此模型，我們提取了從Xilinx客戶那里收集的一組設(shè)計(jì)中每個(gè)信號(hào)的電容、扇出數(shù)、X跨度和Y跨度。然后，我們用最小平方回歸分析法，將電容整理成模型參數(shù)的一個(gè)二次函數(shù)。就各種設(shè)計(jì)平均而言，該解析公式的誤差為30%。